有限元课程设计

1、湖北理工学院 课程设计一、前 言轴承座在机床生产中很常见，在各类机器·机构中都有它存在的身影，由于轴承座本身结构并不是太复杂，所以没有借助其他类型的三维软件建模，而是在ansys环境下建立的模型。轴承座的受力主要是分布在轴承孔圆周上，还有轴承孔的下半部分的径向压力载荷。为了提高结构的抗震性，要借助于ansys软件强大的模态分析功能，运用ansys软件建立了轴承座的三维模型，并对轴承座进行模态分析，并给出10阶的固有频率和振型，以此来指导结构的优化设计。 1.1 ANSYS 概述 ANSYS软件是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析

2、软件公司之一的美国ANSYS开发，可广泛用于航空航天、土木工程、机械制造、车辆工程、生物医学、核工业、电子、造船、能源、地矿、水利、轻工等一般工业及科学研究。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如NASTRAN、ALGOR、I-DEAS、Pro/Engineer、AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。 1.2 ANSYS的主要功能Ansys有限元软件是一个多用途的有限元计算机设计程序，目前，有限元法从她最初应用的固体力学领域，已经推广到温度场·流体场·电磁场·声场等其他连续介质领域，在固体力学领域，有限元法不仅可以用于线性静力分析，也

3、可以动态分析。软件主要包括三个部分:前处理模块·分析计算和后处理模块。 前处理模块前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便的构造有限元模型。 分析计算模块分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。 后处理模块 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。1.3 课程设

4、计的性质模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。自由模态分析是模态分析的一个重要组成部分，它不考虑任何约束的影响，得到的是结构本身的固有特性。通过自由模态的分析，可以对结构本身的尺寸、材料、振动情况等有个大概的了解。在不同的约

5、束状态下，结构的固有频率和振动模态会发生改变，因此在施加约束之后的模态分析能够反映结构的真实振动情况，研究约束对模态的影响。1.4 设计方案的拟定 1.4.1创建有限元模型（1）单元属性定义（单元类型，材料属性）（2）创建或读入几何实体模型、几何模型和单元选择一般同静力学步骤 (3)有限元网络划分 1.4.2施加载荷进行求解（1）施加约束条件，载荷条件 （2）定义分析选项和求解控制 1.4.3 后处理 （1）查看分析结果 (2) 检验结果 1.5 ANSYS软件主要特点主要技术特点 唯一能实现多场及多场耦合分析的软件 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件 唯一具有多

6、物理场优化功能的FEA软件 强大的非线性分析功能 多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置 支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台用户界面统一、数据文件全不兼容 强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并存 多种自动网格划分技术，良好的用户开发环境 二、创建3D有限元模型问题阐述及解析：建立图1所示的三维轴承支座模型，已知支座的弹性模量E=210GPa，泊松比为0.3，密度=7.9X103kg/m3,求出其前10阶自由模态。 图1 轴承支座尺寸操作步骤拟采用自底向上建模方式建模2.1定义单元类型菜单路径 Main Menu>Preprocessor>Element

7、 Type>Add/Edit/Delete,弹出“Element type”对话框。单击对话框的【Add】按钮，打开“Library of Element Type”对话框，选择Solid大类中的10node 92类型的单元，即Solid92单元。单击【OK】按钮之后可以看到“Element Type"对话框中增加了一个名为Solid92的单元类型。单击【Close】按钮关闭该对话框。如图2 图2 “Element types”对话框2.2定义材料属性 菜单路径 Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Mo

8、dels,弹出如下图所示对话框，按照Structural>Linear>Elastic>Isotropic的顺序在上述对话框的右侧进行选择，在弹出的“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框中对线弹性各向同性的材料参数进行设置，令“EX=210E9,PRXY=0.3”。单击【OK】按钮关闭该对话框，在“Define Material Model Behavior”对话框右侧选择Density,弹出“Density of Material Number 1”对话框，如图3，设定“DENS=7900”，单击【OK】

9、按钮关闭该对话框。最后关闭“Define Material Model Behavior”对话框，完成材料属性设置。 图3 “Define Material Model Behavior”对话框2.3创建几何模型 1）建立底座菜单路径 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>By Dimensions,弹出如图2所示“Create Block by Dimensions”对话框。设定“X1=-100,X2=100,Y1=0,Y2=-25,Z1=0,Z2=100”,单击【OK】按钮关闭对话框并完

10、成设置,或者单击【Apply继续建立下一个矩形块。图4“Create Block by Dimensions”对话框 2)建立中间轴承套所在的矩形块菜单路径 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>By Dimensions,在弹出的“Create Block by Dimensions”对话框中设置X1=-50,X2=50,Y1=0,Y2=50,Z1=0,Z2=75”,单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置,或者单击【Apply继续建立下一个矩形块。 3)建立右支架 (1)移动工作平面。菜单路

11、径 Utility Menu>Work Plane>Offset WP to>XYZ Locations,弹出“Offset WP to XYZ Locations”对话框,在输入框中输入“50”,将工作平面的中心沿着X正方向移动50。单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置。(2)建立右支架。菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create >Volumes>Block>By Dimensions 设定“X1=0,X2=50,Y1=0,Y2=50,Z1=0,Z2=13”,单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置

12、,或者单击【Apply继续建立下一个矩形块。4）建立左支架 (1)移动工作平面.菜单路径 Utility Menu>Work Plane>Offset WP to>XYZ Locations,弹出如图4所示“Offset WP to XYZ Locations”对话框,在输入框中输入“-50,0,0”将工作平面的中心沿着X负方向移动50。单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置。(2) 建立右支架。菜单路径 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create >Volumes>Block>By Dimensions,在

13、弹出的“Create Block by Dimensions”对话框中设置X1=0,X2=-50,Y1=0,Y2=50,Z1=0,Z2=13”,单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置,或者单击【Apply继续建立下一个矩形块。支架建立后如图6所示：图6 左右支架的建立5）建立半圆槽(1)移动工作平面。菜单路径 Utility Menu>Work Plane>Offset WP to>XYZ Locations，弹出“Offset WP to XYZ Locations”对话框，在输入框中输入“0,50,0”,将工作平面的中心沿着Y正方向移动50。单击【OK】按钮关闭对话框并完成

14、设置。(2)建立轴体。菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create >Volumes>Cylinder>By Dimensions，弹出如图7所示“Create Cylinder by Dimensions”对话框。设置“RAD1=0，RAD2=45，Z1=0，Z2=75，THETA1=0，THETA2=360”,单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置。 图7 “Create Cylinder by Dimensions”(3) 体相减得到槽体。菜单路径Main Menu>Preprocessor>Model

15、ing >Operate>Booleans>Subtract>Volumes，弹出“Subtract Volumes”对话框。先用鼠标左键单击选择减去后保留的体，单击鼠标中键，然后选择要被减去的体，单击鼠标中键，就完成了槽体的建模，如图8所示：图8 体相减得到槽体6)定义左右支架的支架孔(1)利用局部坐标系，移动工作平面。 建立局部坐标系。菜单路径Utility Menu>Work Plane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>At Specified Loc,弹出如图9所示“Create CS A

16、t Location”对话框，在输入框中输入“75,25,0”将工作平面的中心沿着X正方向移动75，沿着Y正方向移动25。 单击【OK】按钮关闭对话框并打开“Create Local CS At Specified Location”对话框，设置“KCS=Cylindrical 1”,将坐标系定义为柱坐标系，单击【OK】按钮关闭对话框。将工作平面移动到上面定义的局部坐标系。菜单路径Utility Menu>Work Plane>Align WP with>Specified Coord Sys，弹出如图10所示“Align WP with Specified CS”对话框，输

17、入刚刚建立好的坐标系11，单击【OK】按钮关闭对话框。 图9“Create Local CS At Specified Location”对话框 图10 “Align WP Specified CS” (2)建立圆柱体，相减成孔。建立圆柱体。菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create >Volumes>Cylinder>By Dimensions，弹出“Create Cylinder by Dimensions”对话框。设置“RAD1=0，RAD2=12.5 Z1=0，Z2=13，THETA1=0，THETA2=36

18、0”，单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置。相减成孔。菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate >Booleans>Subtract>Volumes，弹出“Subtract Volumes”对话框。先用鼠标左键单击选择减去后保留的体，单击鼠标中键，然后选择要被减去的体，单击鼠标中键，就完成了小孔的建模。同样的方法制作左支架的孔。 7）定义底面的孔(1)移动工作平面。工作平面移动到全局坐标系。菜单路径Utility Menu>Work Plane>Offset WP to>Global Origi

19、n。平移坐标系。菜单路径Utility Menu>Work Plane>Offset WP to>XYZ Locations，弹出“Offset WP to XYZ Locations”对话框，在输入框中输入“75,0,75”，将工作平面的中心沿着X正方向和Z正方向分别移动75。单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置。旋转工作平面。菜单路径Utility Menu>Work Plane>Offset WP by Increments，弹出如图11所示“Offset WP”对话框，在Degrees输入框中输入“0,90,0”表示将工作平面绕着X轴旋转90°，

20、单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置。(2)建立圆柱体相减成孔。建立圆柱体。菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create >Volumes>Cylinder>By Dimensions，弹出“Create Cylinder by Dimensions”对话框。设置“RAD1=0，RAD2=12.5 Z1=0，Z2=25，THETA1=0，THETA2=360”， 单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置。 相减成孔。菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate &

21、gt;Booleans>Subtract>Volumes，弹出“Subtract Volumes”对话框。先用鼠标左键单击选择减去后保留的体，单击鼠 标中键，然后选择要被减去的体，单击鼠标中键，就完成了小孔的建模。同样的方法制作另一个孔，如图12所示： 图12 制作小孔8）定义左右支架的倒角(1)转换坐标系。菜单路径Utility Menu>Work Plane>Change Active CS to>Specified Coord Sys选择11号坐标系。(2)建立四个关键点。菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling&g

22、t;Create >Key points>In Active CS，弹出“Create Key points In Active Coordinate System”对话框，100号点(25,0,0)。单击【Apply】按钮后，继续用同样的方法定义101号点(25,90,0)，102号点(25,90,20)和103号点(25,0,20)，最后单击【OK】按钮关闭对话框。(3)建立面。菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas >Arbitrary>Through KPs，弹出如图13所示“Cr

23、eate Area thru KPs”对话框，输入“100,101,102,103”，建立分割体的面，单击【OK】按钮关闭对话框。 (4)用面分割体。菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate >Booleans>Divide>Volume by Area，弹出“Divide Vol by Area”对话框，先选择被分割的体，点击鼠标中键，然后选择分割面，点击鼠标中键。(5)删除多余的体。菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>Delete >Volume a

24、nd Below，弹出“Delete >Volume and Below”对话框，选择删除的体，单击【OK】按钮。 同样的方法制作另一个倒角。图14 Glue 所有体9）将所有体黏结为整体 菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue >Volumes，弹出“Glue Volumes”对话框，单击【Pick All】按钮，将所有体黏结为整体。如图14所示。 10）划分网格菜单路径Main Menu>Preprocessor>Meshing Tool，弹出“Meshing T

25、ool”对话框，在Mesh Tool工具条中勾选smart size，选择Mesh的类型为“Volume”，并单击【Mesh】按钮，选择整个模型，单击【OK】。划分好的网格如图15所示： 图15 划分网格 三、有限元结构分析 3.1选择分析类型菜单路径Main Menu>Preprocessor>Solution>Analysis Type>New Analysis，在弹出的如图16所示“New Analysis”对话框中选择“Modal”，单击【OK】按钮确定并关闭对话框。 图16 “New Analysis”对话框 3.2设定拓展模态结束菜单路径Main Menu&

26、gt;Preprocessor>Solution>Analysis Type> Analysis Options，在弹出如图17所示“Modal Analysis”对话框中设定“No.of modes to extract=10，NMODE=10”，单击【OK】按钮确定并打开如图17所示“Block Lanczos Method”对话框，单击【OK】按钮。 图17 “Modal Analysis”对话框 图18 “Block Lanczos Method”对话框3.3施加载荷因为是自由模态，不需要施加任何载荷。3.4求解菜单路径Main Menu>Preprocesso

27、r>Solution>Solve>Current LS，弹出“Solve Current Load Step”对话框。单击【OK】按钮忽略该提示，开始计算直到出现“Note”对话框，表示计算完毕。15）一般后处理器General Postproc(1)查看结果摘要。菜单路径Main Menu>General Postproc>Results Summary，如图19所示结果可以看出前六阶的频率基本上为0，这是因为自由模态分析的前六阶为刚体模态。后面也只是观察后四阶的结果。 图19 Results Summary结果摘要(2)查看各阶振型。读取子载荷步。菜单路径Ma

28、in Menu>General Postproc>Read Results>By Pick，在弹出如图20所示“Result File”对话框中选择需要的子载荷步，单击【Read】按钮，读取该阶的结果。图20 “Results file”对话框查看振型图。菜单路径Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，弹出如图21所示“Contour Nodal Solution Data”对话框。选择Displacement vector sum，即可得到读取载荷步的第710阶振

29、型图，如图2225所示： 图21 “Contour Nodal Solution Data”对话框 图22 第七阶振型图23 第8阶振型图24 第9阶振型图25 第10阶振型四、分析结果评价如图22-25分别是轴承座，X方向、Y方向、Z方向和轴承座的振型图。从这几幅图中可以清楚地看出轴承座的变形规律：轴承座的位移变形主要发生在基座以上部分，而z方向的变形比较大。5、 设计总结 两周的课程设计结束了，经过上机的实验操作，我对有限元处理问题的大概思路有了新的体会，通过对ANSYS简单的建模和进行简单的应力、应变分析，我对于材料的各种属性也有了更加深刻的了解。虽然对有限元的很多问题还没有很清晰的认识，具体